Què són els nanobots? Comprendre l'estructura, el funcionament i els usos dels nanobots

A mesura que la tecnologia avança, les coses no sempre es fan més grans i millors, sinó que els objectes també es fan més petits. De fet, la nanotecnologia és un dels camps tecnològics de més ràpid creixement, amb un valor de més d'1 bilió de dòlars, i es preveu que creixi aproximadament un 17% durant la propera mitja dècada. Nanobots són una part important del camp de la nanotecnologia, però què són exactament i com funcionen? Fem una ullada més de prop als nanobots per entendre com funciona aquesta tecnologia transformadora i per a què s'utilitza.

Què són els nanobots?

El camp de la nanotecnologia s'ocupa de la investigació i el desenvolupament de tecnologia d'aproximadament un a 100 nanòmetres d'escala. Per tant, la nanorobòtica se centra en la creació de robots d'aquesta mida. A la pràctica, és difícil dissenyar qualsevol cosa tan petita com un nanòmetre d'escala i el terme "nanorobòtica" i "nanobot" és freqüent. aplicat a dispositius que tenen una mida aproximadament de 0.1 a 10 micròmetres, que encara és bastant petit.

És important tenir en compte que el terme "nanorobot" de vegades s'aplica a dispositius que interactuen amb objectes a nanoescala, manipulant elements a nanoescala. Per tant, fins i tot si el dispositiu en si és molt més gran, es pot considerar un instrument nanorobòtic. Aquest article se centrarà en els mateixos robots a nanoescala.

Gran part del camp de la nanorobòtica i els nanobots encara es troba en fase teòrica, amb investigacions centrades a resoldre els problemes de la construcció a una escala tan petita. Tanmateix, s'han dissenyat i provat alguns prototips de nanomàquines i nanomotors.

La majoria dels dispositius nanorobòtics existents en l'actualitat cauen una de les quatre categories: interruptors, motors, llançadores i cotxes.

Els interruptors nanorobòtics funcionen quan se'ls demana que passin d'un estat "desactivat" a un estat "activat". Els factors ambientals s'utilitzen per fer que la màquina canviï de forma, un procés anomenat canvi conformacional. L'entorn s'altera mitjançant processos com les reaccions químiques, la llum UV i la temperatura, i com a resultat, els interruptors nanorobòtics canvien a diferents formes, capaços de realitzar tasques específiques.

Els nanomotors són més complexos que els interruptors simples i utilitzen l'energia creada pels efectes del canvi conformacional per moure's i afectar les molècules de l'entorn.

Els transbordadors són nanorobots capaços de transportar productes químics com els fàrmacs a regions específiques i específiques. L'objectiu és combinar llançadores amb motors nanorobots perquè les llançadores siguin capaços de moure's en un entorn més gran.

Els "cotxes" nanorobòtics són els nanodispositius més avançats del moment, capaços de moure's de manera independent amb indicacions de catalitzadors químics o electromagnètics. Els nanomotors que condueixen els cotxes nanorobòtics s'han de controlar per tal que el vehicle sigui dirigit, i els investigadors estan experimentant amb diversos mètodes de control nanorobòtic.

Els investigadors de nanorobòtica pretenen sintetitzar aquests diferents components i tecnologies en nanomàquines que poden completar tasques complexes, realitzades per eixams de nanobots treballant junts.

Foto: Foto: "Comparació de les mides dels nanomaterials amb les d'altres materials comuns". Sureshup vai Wikimedia Commons, CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

Com es creen els nanobots?

El camp de la nanorobòtica es troba a la cruïlla de moltes disciplines i la creació de nanobots implica la creació de sensors, actuadors i motors. També s'ha de fer modelatge físic, i tot això s'ha de fer a escala nanomètrica. Com s'ha esmentat anteriorment, els dispositius de nanomanipulació s'utilitzen per muntar aquestes peces a nanoescala i manipular components artificials o biològics, que inclou la manipulació de cèl·lules i molècules.

Els enginyers de nanorobòtica han de ser capaços de resoldre multitud de problemes. Han d'abordar qüestions relacionades amb la sensació, el poder de control, les comunicacions i les interaccions entre materials tant inorgànics com orgànics.

La mida d'un nanobot és aproximadament comparable a les cèl·lules biològiques i, per aquest fet, els futurs nanobots es podrien utilitzar en disciplines com la medicina i la preservació/remediació del medi ambient. La majoria de "nanobots" que existeixen avui en dia són només molècules específiques que han estat manipulades per dur a terme determinades tasques. 

Els nanobots complexos són essencialment només molècules simples unides i manipulades amb processos químics. Per exemple, alguns nanobots ho són format per ADN, i ells transportar càrrega molecular.

Com funcionen els nanobots?

Donada la naturalesa encara molt teòrica dels nanobots, les preguntes sobre com funcionen els nanobots es responen amb prediccions en lloc de declaracions de fets. És probable que els primers usos principals dels nanobots siguin en l'àmbit mèdic, movent-se pel cos humà i realitzant tasques com el diagnòstic de malalties, el seguiment de les vitals i la dispensació de tractaments. Aquests nanobots hauran de ser capaços de navegar pel cos humà i moure's a través de teixits com els vasos sanguinis.

navegació

Pel que fa a la navegació de nanobots, hi ha una varietat de tècniques que els investigadors i enginyers de nanobots estan investigant. Un mètode de navegació és la utilització de senyals ultrasònics per a la detecció i el desplegament. Un nanobot podria emetre senyals ultrasònics que es podrien rastrejar per localitzar la posició dels nanobots, i els robots es podrien guiar a àrees específiques amb l'ús d'una eina especial que dirigeixi el seu moviment. També es podrien utilitzar dispositius de ressonància magnètica (MRI) per fer un seguiment de la posició dels nanobots i primers experiments amb ressonància magnètica han demostrat que la tecnologia es pot utilitzar per detectar i fins i tot maniobrar nanobots. Altres mètodes per detectar i maniobrar nanobots inclouen l'ús de raigs X, microones i ones de ràdio. De moment, el nostre control d'aquestes ones a escala nanomètrica és bastant limitat, de manera que caldria inventar nous mètodes per utilitzar aquestes ones.

Els sistemes de navegació i detecció descrits anteriorment són mètodes externs, que es basen en l'ús d'eines per moure els nanobots. Amb l'addició de sensors integrats, els nanobots podrien ser més autònoms. Per exemple, els sensors químics inclosos als nanobots a bord podrien permetre al robot escanejar l'entorn circumdant i seguir determinats marcadors químics fins a una regió objectiu.

poder

Quan es tracta d'alimentar els nanobots, també n'hi ha una varietat solucions energètiques que estan explorant els investigadors. Les solucions per alimentar nanobots inclouen fonts d'alimentació externes i fonts d'alimentació internes/internes.

Les solucions d'alimentació interna inclouen generadors i condensadors. Els generadors a bord del nanobot podrien utilitzar els electròlits que es troben a la sang per produir energia, o fins i tot els nanobots podrien alimentar-se utilitzant la sang circumdant com a catalitzador químic que produeix energia quan es combina amb un producte químic que el nanobot porta amb ell. Els condensadors funcionen de manera similar a les bateries, emmagatzemant energia elèctrica que es podria utilitzar per impulsar el nanobot. Fins i tot s'han considerat altres opcions com les petites fonts d'energia nuclear.

Pel que fa a les fonts d'alimentació externes, cables increïblement petits i prims podrien lligar els nanobots a una font d'alimentació externa. Aquests cables podrien estar fets de cables de fibra òptica en miniatura, enviant polsos de llum pels cables i generant l'electricitat real dins del nanobot.

Altres solucions d'alimentació externa inclouen camps magnètics o senyals ultrasònics. Els nanobots podrien emprar una cosa anomenada membrana piezoelèctrica, que és capaç de recollir ones ultrasòniques i transformar-les en energia elèctrica. Els camps magnètics es poden utilitzar per catalitzar corrents elèctrics dins d'un bucle conductor tancat contingut a bord del nanobot. Com a avantatge, el camp magnètic també es podria utilitzar per controlar la direcció del nanobot.

Locomoció

Abordant el problema de locomoció nanobot requereix algunes solucions inventives. Els nanobots que no estan lligats, o que no només estan flotant lliurement al seu entorn, han de tenir algun mètode per moure's a les seves ubicacions objectiu. El sistema de propulsió haurà de ser potent i estable, capaç de propulsar el nanobot contra els corrents del seu entorn, com el flux de sang. Les solucions de propulsió que s'estan investigant sovint s'inspiren en el món natural, i els investigadors miren com es mouen els organismes del microscopi pel seu entorn. Per exemple, els microorganismes sovint utilitzen cues llargues i semblants a un fuet anomenades flagels per impulsar-se, o utilitzen una sèrie de petites extremitats semblants a pèls anomenades cilis.

Els investigadors també estan experimentant fent petits robots apèndixs semblants a braços que podria permetre al robot nedar, agafar i arrossegar-se. Actualment, aquests apèndixs es controlen mitjançant camps magnètics fora del cos, ja que la força magnètica fa que vibrin els braços del robot. Un avantatge afegit d'aquest mètode de locomoció és que l'energia per això prové d'una font externa. Aquesta tecnologia s'hauria de fer encara més petita per fer-la viable per a autèntics nanobots.

També s'estan investigant altres estratègies de propulsió més inventives. Per exemple, alguns investigadors han proposat l'ús de condensadors per dissenyar una bomba electromagnètica que atrauri fluids conductors i l'elimini. com un jet, impulsant el nanobot cap endavant.

Independentment de l'eventual aplicació de nanobots, aquests han de resoldre els problemes descrits anteriorment, el maneig de la navegació, la locomoció i la potència.

Per a què serveixen els nanobots?

Com s'ha esmentat, els primers usos dels nanobots probablement hi serà l'àmbit mèdic. Els nanobots es podrien utilitzar per controlar els danys al cos i, potencialment, fins i tot facilitar la reparació d'aquests danys. Els futurs nanobots podrien lliurar medicaments directament a les cèl·lules que els necessiten. Actualment, els medicaments s'administren per via oral o intravenosa i s'estenen per tot el cos en lloc de colpejar només les regions objectiu, provocant efectes secundaris. Els nanobots equipats amb sensors es podrien utilitzar fàcilment per controlar els canvis en les regions de les cèl·lules, informant de canvis al primer signe de dany o mal funcionament.

Encara estem molt lluny d'aquestes hipotètiques aplicacions, però s'està avançant constantment. Com a exemple, el 2017 els científics van crear nanobots dirigits a cèl·lules cancerígenes i els va atacar amb un trepant miniaturitzat, matant-los. Aquest any, un grup d'investigadors de la Universitat ITMO va dissenyar un nanobot compost per fragments d'ADN, capaç de destruir cadenes d'ARN patògens. Actualment, els nanobots basats en ADN també són capaços de transportar càrrega molecular. El nanobot està format per tres seccions d'ADN diferents, maniobrant amb una "cama" d'ADN i transportant molècules específiques amb l'ús d'un "braç".

Més enllà de les aplicacions mèdiques, s'està investigant sobre l'ús de nanobots amb finalitats de neteja i reparació ambiental. Els nanobots es podrien utilitzar per eliminar-los metalls pesants tòxics i plàstica de masses d'aigua. Els nanobots podrien portar compostos que fan inerts les substàncies tòxiques quan es combinen, o es podrien utilitzar per degradar els residus plàstics mitjançant processos similars. També s'està investigant l'ús de nanobots per facilitar la producció de xips i processadors d'ordinador extremadament petits, utilitzant bàsicament nanobots per produir circuits informàtics a microescala.